冷变形金属组织和性能
冷变形热变形中的组织性能演变PPT课件
对材料性能的影响： 沿纤维方向性能高， 垂直于纤维方向性 能低，产生各向异 性
工业用钢强烈冷变形后的显微组织
.
6
2.冷变形的性能变化
（1）力学性能—加工硬化
原因：塑性变形引起位错增 值，位错密度增加，不同方 向的位错发生交割，位错运 动收到阻碍，要继续运动需 要增加应力，从而引起加工 硬化。
随着变形程度的增加，金属 的强度指标上升，塑性指标 下降。这就是加工硬化。
1.冷变形的组织变化 2.冷变形的性能变化
.
2
1.冷变形的组织变化
（1）位错等缺陷密度增加
单晶体塑性变形时，随着变形量增加，位错增多，位错密度 增加。
退火状态的金属，典型的位错密度值是105～108 cm-2，而 大变形后的典型数值是1010～1012cm-2。通过实验得到的位
错密度（ρ）同流变应力（σ）之间的关系是：
式中：α—等干0．2～0．3范围的常数；
G—剪切弹性模量；
b—柏氏矢量。
除了位错，同时冷变形产生的缺陷还有空位、间隙原子、堆 垛层错、孪晶界、亚晶界等。
.
3
1.冷变形的组织变 化
（2）形成位错胞状结构
多晶体塑性变形时，因为各个晶粒 取向不同，各晶粒的变形既相互阻 碍又相互促进，变形量稍大就形成 了位错胞状结构。
胞状结构：是变形的各种晶粒中， 被密集的位错缠结区分成许多个单 个的小区域。小区域的内部，位错 密集度较低，称为胞子。区域的边 界称为胞壁，位错密度最大。
（1）铁在室温下变形时胞的大小同变形量的关系
（2）铁在室温下变形的胞状结构
.
4
1.冷变形的组织变化
（3）形成形变织构
形变织构：多晶体塑性变形时，伴随着晶粒的转动。当变形量 较大时，原为任意取向的各个晶粒会逐渐调整取向而趋于一致。 使得晶粒具有择优取向的组织。
一文看懂回复和再结晶
一文看懂回复和再结晶回复和再结晶一、冷变形金属在加热时的组织与性能变化金属和合金经塑性变形后，由于空位、位错等结构缺陷密度的增加，以及畸变能（晶体缺陷所储存的能量）的升高将使其处于热力学不稳定的高自由能状态，具有自发恢复到变形前低自由能状态的趋势，但在室温下，因温度低，原子活动能力小，恢复很慢，一旦受热，温度较高时，原子扩散能力提高，组织、性能会发生一系列变化。
这一变化过程随加热温度的升高可表现为三个阶段：回复：指新的无畸变晶粒出现之前所产生的亚结构和性能变化的阶段。
在此阶段，组织：由于不发生大角度晶界的迁移，晶粒的形状和大小与变形态相同，仍为纤维状或扁平状。
性能：强度与硬度变化很小，内应力、电阻明显下降。
（回复是指冷塑性变形的金属在（较低温度下进行）加热时，在光学显微组织发生改变前（即在再结晶晶粒形成前）所产生的某些亚结构和性能的变化过程。
）再结晶：指出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒的过程。
在此阶段，组织：首先在畸变度大的区域产生新的无畸变晶粒的核心，然后逐渐消耗周围的变形基体而长大，直到变形组织完全改组为新的、无畸变的细等轴晶粒为止。
性能：强度与硬度明显下降，塑性提高，消除了加工硬化，使性能恢复到变形前的程度。
晶粒长大：指再结晶结束之后晶粒的继续长大。
在此阶段，在晶界表面能的驱动下，新晶粒相互吞食而长大，最后得到较稳定尺寸的晶粒。
显微组织的变化：回复阶段：显微组织仍为纤维状，无可见变化。
再结晶阶段：变形晶粒通过形核长大，逐渐转变为新的无畸变的等轴晶粒晶粒长大阶段：晶界移动，晶粒粗化，达到相对稳定的形状和尺寸。
性能变化：回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有提高；密度变化不大，电阻明显下降。
再结晶阶段：强度、硬度明显下降，塑性明显提高；密度急剧升高。
晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降，塑性继续提高；粗化严重时下降。
二、回复1. 回复动力学上图同一变形程度的多晶体铁在不同温度退火时，屈服强度的回复动力学曲线特点：（1）没有孕育期；（2）在一定温度下，初期的回复速率很大，随后即逐渐变慢，直至趋近于零；（3）每一温度的恢复程度有一极限值，退火温度越高，这个极限值也越高，而达到此一极限值所需的时间则越短；（4）预变形量越大，起始的回复速率也越快，晶粒尺寸减小也有利于回复过程的加快。
金属在冷和热塑性加工过程中组织与性能变化规律的异同
2011-11-5
金属塑性变形物理基础
12/49
冷变形对组织与性能的影响
组织变化： 纤维组织 亚结构 变形织构 晶内及晶间的破坏
性能变化： 力学性能 残余应力 物化性能
2011-11-5
金属塑性变形物理基础
13/49
冷变形力学性能
金属发生塑性变形时，随变形度的增大，金属的强度和硬度 显著提高，塑性和韧性明显下降，这种现象称为加工硬化， 也叫形变强化或冷作硬化。
制 耳 现 象
但是，变压器用硅钢片，由于α-Fe<100>方向最易磁化，生产中通 过轧制可获得具有（110）[001]织构和磁化性能优异的硅钢片。
2011-11-5
金属塑性变形物理基础
11/49
冷变形晶内及晶间破坏
在冷变形过程中不发生软化过程的愈合作用，因滑移（位错 的运动及其受阻、双滑移、交叉滑移等），孪晶等过程的复 杂作用以及各晶粒所产生的相对转动与移动，造成了在晶粒 内部及晶粒间界处出现一些显微裂纹、空洞等缺陷使金属密 度减少，是造成金属显微裂纹的根源。
9/49
冷变形形变织构
在塑性变形中，随着变形大程度的增加，各个晶粒的滑移面 和滑移方向都要向主形变方向转动，使各晶粒的位向呈现一 定程度的规律性，这一现象称为择优取向，这种组织状态称 为形变织构。
典 型 织 构
2011-11-5
金属塑性变形物理基础
10/49
形变织构的影响与应用
一般来说，不希望金属板材存在织构，尤其是用于深冲压成型的板 材，由于织构会造成其沿各方向变形的不均匀性，使工件的边缘出 现高低不不平，所谓的“制耳”。
消除畸变能，控制晶粒大 小，形态，均匀度
界面能，表面能 作为驱动力
论述冷轧和热轧时金属组织的变化及它对金属性能的影响
论述冷轧和热轧时金属组织的变化及它对金属性能的影响王笑洋摘要：冷轧和热轧使同一种金属的组织发生了不同的变化从而金属的性能也发生了很大的差异，冷轧是在再结晶温度以下进行的轧制，而热轧是在再结晶温度以上进行的轧制。
本文阐述了冷轧和热轧时金属显微组织的变化与冷轧和热轧对金属性能的影响。
冷轧时随着变形程度的增加出现亚结构、变形织构等，金属的强度、硬度增加，而塑性和韧性相应下降即产生了加工硬化。
热轧时金属内部缺陷被压合、金属内部夹杂物分布被改善、偏析被改善，使金属的致密度提高、力学性能提高、综合机械性能提高。
关键词：冷轧热轧组织性能前言我国钢铁企业要在竞争激烈的国际市场上与世界钢铁企业强国进行竞争并取得竞争优势，实现钢铁强国的目标，必须促进科技进步，提升企业技术装备和工艺水平。
随着科学技术的发展，轧钢生产过程中质量已经不仅仅局限于产品外型和尺寸精确的控制，而是追求对产品内部微观组织和最终性能的更为精确的把握。
冷轧和热轧使同一种金属的组织发生了不同的变化从而金属的性能也发生了很大的差异。
冷轧是变形温度低于金属再结晶温度的变形。
由于变形温度低、金属内部的组织结构发生很大的变化、晶粒随着变形量的增加沿变形方向被拉长、当变形程度很大时晶粒变为纤维状、使金属性能呈现方向性。
热轧是在再结晶温度以上进行的塑性变形。
热轧时在金属中同时进行着两个过程:一方面由于塑性变形而产生加工硬化，另一方面由于热轧的温度大大高于再结晶温度因此变形所引起的硬化又很快为随之产生的再结晶过程所消除。
本文从冷、热轧制工艺的角度出发，来研究冷、热轧制工艺与金属的组织以及性能之间的关系。
1冷轧时金属组织的变化及它对金属性能的影响1.1冷轧时金属显微组织的变化1.1.1纤维组织显微组织的变化，多晶体金属经冷却变形后，用光学显微镜观察抛光与浸蚀后的试样，会发现原来等轴的晶粒沿着主变形的方向被拉长。
变形量越大，拉长的越显著。
当变形量很大时，各个晶粒已不能很清楚地辨别开来，呈现纤维状，故称纤维组织。
冷变形后金属的变化
冷变形后金属的变化
金属在冷变形后，组织和性能会发生一系列变化。
具体来说，随着冷变形程度的增加，金属的强度和硬度会上升，而塑性和韧性会下降。
这是因为在冷变形过程中，金属内
部的晶格结构会发生扭曲，产生大量的晶体缺陷，如位错和畸变，这些缺陷会导致金
属的强化。
同时，由于冷变形过程中金属的晶粒被拉长、破碎和细化，导致金属的塑
性和韧性下降。
此外，冷变形后的金属在加热时，组织和性能也会发生变化。
具体来说，随着温度的
升高，原子扩散能力增加，金属将经历回复、再结晶和晶粒长大等过程。
在回复阶段，金属中的位错和空位等缺陷会重新排列，形成较为稳定的晶格结构，导致金属的力学
性能变化不大，但塑性略有提高。
当温度继续升高，金属将发生再结晶，形成新的等
轴晶粒组织。
在这个过程中，金属的强度和硬度会进一步上升，而塑性和韧性会明显
改善。
金属在冷变形后组织和性能会发生变化，具体变化程度取决于变形程度和加热温度等
因素。
了解这些变化对于材料的加工、选材和应用都具有重要意义。
冷塑性变形对金属性能与组织的影响
冷塑性变形对金属性能与组织的影响摘要］金属的冷塑性变形可使金属的性能发生明显变化，这种变化是由塑性变形时金属内部组织变化所决定的。
［关键词］冷塑性变形；金属性能；影响金属的冷塑性变形可使金属的性能发生明显变化，这种变化是由塑性变形时金属内部组织变化所决定的。
一、形成纤维组织，性能趋于各向异性金属塑性变形时，在外形变化的同时，晶粒的形状也发生变化。
通常是晶粒沿变形方向压扁或拉长，如图1所示。
当变形程度很大时，晶粒形状变化也很大，晶粒被拉成细条状，金属中的夹杂物也被拉长，形成纤维组织，使金属的力学性能具有明显的方向性。
例如纵向（沿纤维组织方向）的强度和塑性比横向（垂直于纤维组织方向）高得多。
图1冷塑性变形后的组织二、产生冷变形强化冷塑性变形除了使晶粒外形变化外，还会使晶粒内部的亚晶粒尺寸碎化，位错密度增加，晶格畸变加剧，因而增加了滑移阻力，这就是冷塑性变形对金属造成形变强化，也称加工硬化的主要原因。
即随塑性变形程度的增加，金属的强度、硬度提高，而塑性、韧性下降。
形变强化在生产中具有很重要的意义。
如图2所示为纯铜和低碳钢的强度和塑性随变形程度增加而变化的情况。
图2 纯铜和低碳钢的冷轧变形度对力学性能的影响实线——冷轧的纯铜虚线——冷轧的低碳钢．形变强化可以提高金属的强度，是强化金属的重要手段，尤其对于那些不能用热处理强化的金属材料显得更为重要。
形变强化也是工件能用塑性变形方法成型的必要条件。
例如在图3所示冷冲压过程中，由于r处变形最大，当金属在r处变形到一定程度后，首先产生形变强化，使随后的变形转移到其他部分，这样便可得到壁厚均匀的冲压件。
此外，形变强化还可以使金属具有偶然的抗超载能力，一定程度上提高了构件在使用中的安全性。
形变强化也有不利的一面。
由于材料塑性的降低，给金属材料进一步冷塑性变形带来困难。
为了使金属材料能继续变形加工，必须进行中间热处理，以消除形变强化。
塑性变形除了影响力学性能外，还会使金属某些物理、化学性能发生变化，如电阻增加、化学活性增大、耐蚀性降低等。
冷变形金属的组织和性能
再结晶
三 再结晶温度
3 影响因素 变形量越大，驱动力越大，再结晶温度越低；
纯度越高，再结晶温度越低；
再结晶
四 影响再结晶的因素
1 退火温度。温度越高，再结晶速度越大。 2 变形量。变形量越大，再结晶温度越低；随变形量增大，再结晶温
度趋于稳定；变形量低于一定值，再结晶不能进行。 3 原始晶粒尺寸。晶粒越小，驱动力越大；晶界越多，有利于形核。 4 微量溶质元素。阻碍位错和晶界的运动，不利于再结晶。 5 第二分散相。间距和直径都较大时，提高畸变能，并可作为形核核
力学性能：利:深冲板材变形控制;弊：制耳。
物理性能:硅钢片{100}[001]织构可减少铁损。
P351 高斯织构为（011）[100]
３ 形成位错胞
３ 形成位错胞
变形量 位错缠结 位错胞
f 0 kd1
（大量位错缠结在胞壁，胞内位错密度低。)
冷变形金属在加热时的组织和性能的 变化
冷变形金属在加热时的组织和性能的 变化
3 消除：去应力退火。
6h
塑性变形对材料组织的影响
塑性变形对材料组织的影响
1 形成纤维组织 晶粒拉长;杂质呈细带状或链状分布。
对材料性能的影响：各向异性
２形成形变织构
２形成形变织构
形变织构：多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈择优 取向的组织。
类型：
丝织构：某一晶向趋于与拔丝方向平行。（拉拔时形成） 板织构：某晶面趋于平行于轧制面，某晶向趋于平
▪ 1 固溶强化的机理 ▪ 2． 试用位错理论解释低碳钢的屈服和应变
时效。举例说明吕德斯带对工业生产的影响 及防止办法。
▪ 3 弥散强化的机理
冷变形金属在退火过程中组织与性能的变化精品PPT课件
回复
再结晶
晶粒长大
目录 CONTENTS
山西大同大学
SHANXI DATONG UNIVERSITY
一、基本概念 二、显微组织的变化
三、储存能及内应力的变化 四、力学性能的变化
五、其它性能的变化
3
基本概念
山西大同大学
SHANXI DATONG UNIVERSITY
回 复
再结 晶
晶粒 长大
冷塑性变形金属在加热时，在光学显微组织 改变前所产生的某些亚结构和性能的变化过程
7
力学性能的变化
山西大同大学
SHANXI DATONG UNIVERSITY
能
强度
性
学
力
塑性 硬度
冷变形晶粒
新晶粒
小
大
粒
晶
回复
再结晶
晶粒长大
温度→ 图4 退火过程中力学性能的变化
位错密度
8
其他性能的变化
山西大同大学
SHANXI DATONG UNIVERSITY
点缺陷
温度→
图5 退火过程中其他性能的变化
5
储存能及内应力的变化
山西大同大学
SHANXI DATONG UNIVERSITY
A 纯金属 B 非纯金属 C 合金
图2 退火过程中能量的释放
6
储存能及内应力的变化
山西大同大学
SHANXI DATONG UNIVERSITY
第一内
力
应力
应
内
第二、三
内应力
回复
再结晶
晶粒长大
温度→
图3 退火过程中内应力的释放
When You Do Your Best, Failure Is Great, So Don'T Give Up, Stick To The End
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▪
材料加工成型的保给金属的进一 步塑性变形带来困难,动力消耗增大；
▪ 脆断危险性提高。
▪
冷变形金属组织和性能
对物理、化学性能的影响
对物理、化学性能的影响
▪ 导电率、导磁率下降，比重、热导率下降； ▪ 结构缺陷增多，扩散加快； ▪ 化学活性提高，腐蚀加快。
▪ 1 固溶强化的机理 ▪ 2． 试用位错理论解释低碳钢的屈服和应变
时效。举例说明吕德斯带对工业生产的影响 及防止办法。 ▪ 3 弥散强化的机理 ▪
冷变形金属组织和性能
冷变形金属的组织和性能
▪ 冷变形金属的性能
▪ 力学性能 ▪ 物理化学性能 ▪ 残余应力
▪ 冷变形金属的组织
▪ 纤维组织 ▪ 变形织构
再结晶阶段：内应力可完全消除。
冷变形金属组织和性能
回复动力学
回复
一 回复动力学（示意图） 1 加工硬化残留率与退火温度和时间的关系
lnt=常数+Q/(RT)
冷变形金属组织和性能
回复
一 回复动力学（示意图） 2 动力学曲线特点
（1）没有孕育期； （2）开始变化快，随后变慢； （3）长时间处理后，性能趋于一平衡值。
1 储存能：存在于冷变形金属内部的一小部分（～10％）变 形功。
弹性应变能（3～12％）
2 存在形式 位错（80～90％） 驱动力
点缺陷
3 储存能的释放：原子活动能力提高，迁移至平衡位置，储存
能得以释放。
再
回结 复晶
冷变形金属组织和性能
内应力变化
冷变形金属在加热时的 组织与性能变化
五 内应力变化
回复阶段：大部分或全部消除第一类内应力，部分消 除第二、三类内应力；
物理性能:硅钢片{100}[001]织构可减少铁损。
冷变形金属组织和性能
P351 高斯织构为（011）[100]
３ 形成位错胞
３ 形成位错胞
变形量 位错缠结 位错胞
f 0 kd1
（大量位错缠结在胞壁，胞内位错密度低。)
冷变形金属组织和性能
冷变形金属在加热时的组织和性能的 变化
冷变形金属在加热时的组织和性能的 变化
冷变形金属组织和性能
回复
二 回复机理
1 低温回复（0.1－0.3Tm）
移至晶界、位错处 点缺陷运动 空位＋间隙原子 消失 缺陷密度降低
空位聚集（空位群、对）
冷变形金属组织和性能
中温回复
回复
二 回复机理
冷变形金属组织和性能
２形成形变织构
２形成形变织构
形变织构：多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈择优 取向的组织。
类型：
丝织构：某一晶向趋于与拔丝方向平行。（拉拔时形成） 板织构：某晶面趋于平行于轧制面，某晶向趋于平
行于主变形方向。（轧制时形成）
冷变形金属组织和性能
金属的形变织构
金属的形变织构
晶体结构
冷变形金属组织和性能
冷变形金属在加热时的 组织与性能变化
二 显微组织变化（示意图）
Smith W F. Foundations of Materials
SM冷cciGe变nRcA形eWa金.nHd属ILEL组n.3g织/iEn和ee性rin能g.
性能变化
冷变形金属在加热时的
组织与性能变化
三 性能变化 1 力学性能（示意图） 回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有提高。 再结晶阶段：强度、硬度明显下降，塑性明显提高。 晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降,塑性继续提高， 粗化严重时下降。 2 物理性能 密度:在回复阶段变化不大，在再结晶阶段急剧升高； 电阻：电阻在回复阶段可明显下降。
冷变形金属组织和性能
冷变形金属对性能的影响
冷变形金属的力学性能
▪ 什么是冷变形：再结晶温度温度以上的 变形
▪ 加工硬化严重
▪ 原因：塑性变形引起位错增殖，位错密
度增加，不同方向的位错发生交割，位
错的运动受到阻碍，使金属产生加工硬
化
冷变形金属组织和性能
▪
加工硬化的实际意义
加工硬化的实际意义
▪ 利: 强化金属的重要途径；
▪ 回复 ▪ 再结晶 ▪ 晶粒的长大 ▪ 弹性畸变能的减小是回复和再结晶的驱动
力，晶粒长大是力图晶界界面能减小的结 果
冷变形金属组织和性能
冷变形金属在加热时的组织与性能变化
冷变形金属在加热时的
组织与性能变化
一 回复与再结晶
回复：冷变形金属在低温加热时，其显微组织无可见变化，但其 物理、力学性能却部分恢复到冷变形以前的过程。
残余应力对材料的影响
三 残余应力（约占变形功的10％-15%）
利：预应力处理，如汽车板簧的生产。 2 利弊
弊：引起变形、开裂,如黄铜弹壳的腐蚀开裂。
3 消除：去应力退火。
6h
冷变形金属组织和性能
塑性变形对材料组织的影响
塑性变形对材料组织的影响
1 形成纤维组织 晶粒拉长;杂质呈细带状或链状分布。
对材料性能的影响：各向异性
再结晶：冷变形金属被加热到适当温度时，在变形组织内部新的 无畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒，而使形变强化效应完全消除 的过程。
冷变形金属组织和性能
显微组织变化（
冷变形金属在加热时的 组织与性能变化
二 显微组织变化（示意图）
回复阶段：显微组织仍为纤维状，无可见变化； 再结晶阶段：变形晶粒通过形核长大，逐渐转变为新的无畸变的 等轴晶粒。 晶粒长大阶段：晶界移动、晶粒粗化，达到相对稳定的形状和尺 寸。
板织构
丝织构
fcc
-黄铜 (110)[112]
[110]
纯铜
(146)[211]或 [111] (123)[121]
bcc
(100)[011]
[110]
hcp
(0001)[1010]
冷变形金属组织和性能
[1010]
形变织构对性能的影响
形变织构对性能的影响 (各向异性)
力学性能：利:深冲板材变形控制;弊：制耳。
冷变形金属组织和性能
性能变化
冷变形金属在加热时的
组织与性能变化
三 性能变化
Smith W F. Foundations of Materials冷变形金属组织和性能
Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E
储存能变化（
冷变形金属在加热时的
组织与性能变化
四 储存能变化（示意图）
冷变形金属组织和性能
残余应力
残余应力
约占变形功的10-15％
第一类残余应力（Ⅰ）：宏观内应力，由整个物 体变形不均匀引起 1%。
1 分类 第二类残余应力（Ⅱ）：微观内应力，由晶粒变 形不均匀引起。10%
第三类残余应力（Ⅲ）：点阵畸变，由位错、空 位等引起。80-90%。
Ⅰ
冷变形金属组织和性能
残余应力对材料的影响